近年,船舶の大型化および軽量化に伴う高強度鋼の有効利用に際して

Analysis on Fatigue Strength Improvement for Non-Load-Carrying Cruciform Joints by
Ultrasonic Impact Treatment (UIT)
荷重非伝達型十字溶接継手の疲労強度改善に及ぼす超音波衝撃処理(UIT)の影響に
関する研究
Kuilin Yuan, (Graduate Student, Yokohama National University)
Yoichi Sumi (Professor Emeritus, Yokohama National University)
袁奎霖（横浜国立大学大学院工学府）
角洋一（横浜国立大学名誉教授）
Abstract / アブストラクト
Ultrasonic impact treatment (UIT) is a remarkable post-weld technique, which applies
mechanical impacts in combination with ultrasound into welded joints and plastically
deforms the weld toe, consequently introducing beneficial compressive residual stress
near the treated area. Recent experimental studies demonstrate that acoustic softening of
metals during ultrasonic impact (UI) may lead to increased plastic deformation and play an
important role in the mechanism of UIT.
In this study, a 3D simulation approach including thermo-mechanical welding simulation
and dynamic elastic-plastic FE analysis of UIT process of welded joints has been
proposed. In the FE model, the actual process parameters and ultrasonic-induced material
softening, which is appropriately adjusted to fit experimental results, are considered. The
predicted residual stress distributions of non-load-carrying cruciform joints before and
after UIT are compared with experimental results, showing a fairly good agreement with
each other. In addition, an evaluation of fatigue strength of welded joints based on fracture
mechanics has been carried out. The results not only clearly distinguish the difference of
fatigue strengths of as-weld and UIT welds, but also show the influence of preload and
stress ratio on the improvement, so that the proposed model may provide an effective tool
to simulate UIT-process in engineering structures.
近年,船舶の大型化および軽量化に伴う高強度鋼の有効利用に際して,溶接継手
疲労強度向上は重要な課題となっており,超音波衝撃処理(Ultrasonic Impact
Treatment: UIT)が注目されている。UIT 技術は溶接止端部を超音波振動する鋼
製ピンによって連続的に打撃することで,止端部曲率半径を大きくするとともに
処理部に圧縮残留応力を導入し,疲労強度を向上させるものである。また,UIT
による塑性変形には音響軟化(acoustic softening)の影響が実験によって観察さ
れている。最近国際溶接会議 IIW と各船級協会は船体構造などの溶接構造物に
おける UIT 施工の承認に関する規則化及び研究開発を行っている。
UIT による疲労強度改善効果を定量的に評価するために,実験計測によって処
理部周辺での内部残留応力を把握することは,物理的にもコスト的にも非常に困
難である。計測の代わりに,数値解析により UIT による残留応力を予測する手法
が望まれている。
本研究では,まず溶接解析ソフトウエア SYSWELD を用い，熱弾塑性解析に
よりビードオンプレートの溶接残留応力解析を行い, 実験結果と比較すること
で解析の精度を確認する。次に，SYSWELD と構造解析ソフトウェア LS-DYNA
を用い, 施工条件と音響軟化効果を考慮できる溶接シミュレーションと動的弾
塑性 FEM を統合した UIT 数値解析モデルを提案する。荷重非伝達型十字溶接
継手を対象に,予測される溶接線近傍での UIT 前後の残留応力分布や塑性変形を
実測と比較して本モデルの有効性を確認する。このようにして得られた残留応力
と止端部形状の影響を適切に考慮し,疲労き裂進展則に基づき UIT を施した溶
接継手の疲労強度改善効果を定量的に評価し、実験結果との整合性を確認した。
さらに，船舶への適用を考える場合重要となる,供用中に作用する過大荷重ある
いは高応力比の繰り返し荷重の条件下での UIT 疲労強度改善効果の持続性につ
いても検討を行い、数値シミュレーションによる UIT 処理評価の可能性を示す
ことができた。

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